渗流影响下地下换热器传热模型的建立

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1、2016年10月建材与装饰质检·研究渗流影响下地下换热器传热模型的建立王开材（江苏省建筑工程质量检测中心有限公司南京210028）摘要：本文考虑了渗流对地下换热器传热的影响，建立了考虑地下水渗流情况下的传热模型，引入了空隙率和饱和度两个土力学概念。将土体分为饱和与非饱和区两部分，两部分分别建立热传方程，然后引入空隙率和饱和度将两者统一起来，建立了饱和与非饱和区土壤传热的通用控制方程，并给出了相应的初始和边界条件，为将来的模型求解做好了准备。关键词：渗流场；传热模型；温度场中图分类号：TK172文献标识码：A文章编号：1673-0038（2016）41-0049-

2、031引言方向的传热；地源热泵是一种高效、节能环保，有利于可持续发展的空调（2）土壤为一均匀的、各向同性的含湿多孔介质，且热量的传方式，地源热泵技术为解决能源危机和环境污染这两个困扰我递是由介质（包括固体骨架及其中的流体）的导热与孔隙中流体国发展的重大问题、为我国的可持续发展带来了契机，地源热泵的对流传热而实现的；技术在中国有广阔的发展情景。（3）地下水渗流速度很低，可忽略流体的动能和耗散的影响；90年代以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开（4）忽略U型管管壁与周围土壤间的接触热阻，且埋管与土始的对土壤源热泵开展基础性的研究工作，主要集中在地热能壤间热

3、物性参数恒定；换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地热能换热器匹配（5）认为土壤初始温度均匀一致，流体与固体瞬间达到局部等方面。与前一阶段单纯采用“线源”传热模型不同，最新的研究热平衡；更多地开始关注相互耦合的传热、传湿模型以更好的模拟地热（6）因埋管较深，而进出口最大温差较小（一般为3~5℃），因能换热器的真实换热情况；因为导热过程也受土壤水特性的影此可认为微元埋管管段内同一截面及微元段的流体温度相同，响，对此，国内外学者采用不同的方法做了研究[1~6]。竖直埋管的且速度一致；深度可达40~200m，实际上在其穿透的地层中或多或少地都存（7）埋管与土壤接触紧

4、密，忽略盘管与土壤间的接触热阻；在着地下水的渗流。尤其是在地下水丰富的粗沙砾地层中甚至（8）由于本文主要考虑饱和区土壤内地下埋管的传热特征，有地下水较显著的流动。地下水的渗流有利于地热换热器的传因此未考虑非饱和区土壤的热湿迁移问题。热，也有利于减弱或消除由于地热换热器全年吸放热不平衡而3渗流模型引起的热量累积效应，因此能够减少地热换热器设计容量。方肇水在土壤中的渗流是在土颗粒间的空隙中发生的，由于土体洪等人根据多孔介质中有渗流时的能量方程，解析求解得到了空隙的形状、大小及分布极为复杂，导致渗流水质点的运动轨迹有均匀渗流时线热源引起的二维温度响应[7~9]。本课题

5、主要研究很不规则，如图1~2所示[10]。如果只着眼于这种真实渗流情况的渗流对地下换热器传热影响的模型研究。研究，会使得理论分析复杂化。考虑到实际工程中并不需要了解2传热模型的基本假定具体空隙中的渗流情况，因而可以对渗流作如下的简化：①不考由于U型管几何形状的特殊性和多孔介质传热的复杂性，虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；②不考虑土体中建立能精确模拟所有实际情况的埋管土壤蓄热模型并求解，以颗粒的影响，认为空隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。现有的计算技术来说难以实现。因此，在保持所得结果精度符合作了这种简化后的渗流其实是一种假想的土体渗流，称之为渗工

6、程要求的前提下，需作以下必要的简化说明：流模型，如图1~2所示。为了使渗流模型在渗流特征上与真实的（1）忽略U型埋管周围土壤沿深度方向的传热，只考虑水平渗流相一致，还应该符合以下要求：①在同一过水断面，渗流模!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!准不确定度进行评定、对合成标准不确定度进行评定、对扩展不2012，39（1）：52~53.确定度U进行评定。通过本文分析，水泥胶砂抗折强度测量结果[3]唐彪.水泥胶砂28d抗压强度检验的测量结果不确定度评定[J].工业计可使用该方法进行不确定度的评定，但需要结合具

7、体的测试状量，2009，19（s1）：34~35.态对测定结果进行不确定度分析和评价。[4]雷良雁，潘卓丛.控制水泥检测质量的几个环节[J].安全与环境工程，2010，17（6）：66~69.参考文献收稿日期：2016-9-22[1]刘小勤，曹雪卿.水泥胶砂抗压强度检测结果不确定度评定[J].计量与测试技术，2010，37（3）：87~88.作者简介：谢结珍（1977-），女，工程师，本科，主要从事建设工程[2]尤文平.ISO法测定水泥抗压强度的不确定度评定[J].计量与测试技术，质量监督检测工作。·49·质检·研究建材与装饰2016年10月型的流量等于真实渗流

8、的流量；②在任一界面上，